Reservmatningsmöjligheter vid transformatorhaveri

Transkript

1 Reservmatningsmöjligheter vid transformatorhaveri Författare Markus Jarl Författare Fredrik Bengtsson EXAMENSARBETE Högskoletekniker, Elkraft Institutionen för ingenjörsvetenskap

2 EXAMENSARBETE Reservmatningsmöjligheter vid transformatorhaveri Sammanfattning Kungälv Energi äger och ansvarar idag över Kungälv Kommuns elnät. Med en ökande befolkningsmängd ställs allt högre krav på elnätet och framför allt leveranssäkerheten. Med kalla vintrar och stort energibehov ger detta upphov till en svårare situation gällande leveranssäkerhet. I nuläget har Kungälv Energi två mottagarstationer, en 130/10kV-station respektive 130/20kV-station. 130/10kV-stationen börjar närma sig en gräns där effektbehovet närmar sig den maximala distributionskapaciteten. Därför fastställs en plan för att kunna klara av effektbehovet vid haveri på en av två 130/10kV-transformatorer i mottagarstationen M1. Resultatet av rapporten visar att tillräcklig kapacitet finns i närliggande fördelningsstationer för att klara av reservdrift under hög belastning utan att några övriga komponenter skadas. Rapporten behandlar främst effektflöden för att kontrollera att dessa ej överskrider transformatorernas, ledningarnas och kablarnas märkeffekt. I flertalet fall har även faktorer för nödbelastning räknats med vilket resulterar i att samtliga linjer hos Kungälv Energi klarar av den ökade belastningen. Upptäckta flaskhalsar i nätet har uppmärksammats och delgetts samt förslag till förändringar för att förhindra framtida problem. Datum: Författare: Markus Jarl, Fredrik Bengtsson Examinator: Andreas Petersson Handledare: Thomas Skåreby, Kungälv Energi AB Handledare: Joakim Axelsson, Vattenfall Eldistribution AB Program: Högskoletekniker Elkraft, 120hp Huvudområde: Elektroteknik Utbildningsnivå: Grundnivå Poäng: 15 högskolepoäng Nyckelord: Reservmatning, transformator, överlast, effektflödesberäkning, felströmsberäkning, matningsprincip, mottagarstation, fördelningsstation Utgivare: Högskolan Väst, Institutionen för ingenjörsvetenskap, Trollhättan Tel: Fax: Web: i

3 UNIVERSITY DIPLOMA THESIS Backup power supply in case of transformer breakdown Summary Kungälv Energi owns and is responsible of Kungälv municipality's electricity grid. With an increasing population and increasing demands on the grid and especially security of supply. With cold winters and large energy gives rise to a more difficult situation regarding security of supply. Currently, Kungälv Energi two receiving stations, a 130 / 10kV station and 130 / 20kV station. 130 / 10kV station is approaching a point where power demand is approaching the maximum distribution capacity. Therefore sets out a plan to cope with the power demand at the failure of one of two 130 / 10kV transformers of the receiving station M1. The results of the report shows that sufficient capacity is available in nearby distribution stations to cope with the emergency operation under high loads without any other components damaged. The report deals primarily with power flows to check that they do not exceed transformers, lines and cables rated power. In the majority of cases have also factors for distress load been counted with, which gives the result that all lines of Kungälv Energi can handle the increased load. Detected bottlenecks in the network have been highlighted, communicated and proposed changes to Kungälv Energi to prevent future problems. Date: June 30, 2015 Author: Markus Jarl, Fredrik Bengtsson Examiner: Andreas Petersson Advisor: Thomas Skåreby, Kungälv Energi AB Programme: Higher Education Technician, Electric Power Technology, 120 HE credits Main field of study: Electrical Engineering Education level: First cycle Credits: 15 HE credits Keywords backup power supply, transformer, overload, power flow calculation, fault current calculation, receiving station, substation Publisher: University West, Department of Engineering Science, S Trollhättan, SWEDEN Phone: Fax: Web: ii

4 Förord Rapporten är resultatet av ett examensarbete utfört av två elkraftstudenter vid Högskolan Väst, institutionen för ingenjörsvetenskap, högskoletekniker elkraft på uppdrag av Kungälv Energi. Examensarbetet omfattar 15 HP och pågår under vårterminen Vårt arbete går ut på att undersöka reservmatningsmöjligheter vid eventuellt transformatorhaveri hos Kungälv Energi. Alla bilder, figurer och tabeller är framställda av författarna om inget annat anges. Vid utskrift bör rapporten skrivas ut i färg då en del figurer och bilder innehåller färg. Ett stort tack till vår handledare Joakim Axelsson som bidragit med utomordentlig vägledning och hjälp oss att tackla många problem. Vi vill även passa på att tacka Thomas Skåreby, Magnus Hermansson, Björn Jansson, Gert Risberg och Ulf Karle samt IT-avdelningen på Kungälv Energi för all hjälp med datainsamling, programvara och möjligheten att få utföra ett examensarbete hos er. iii

5 Innehåll Sammanfattning... i Summary... ii Förord iii Nomenklatur... vi 1 Inledning Kungälv Energi Problembeskrivning Syfte, mål och avgränsningar Metod Tillvägagångssätt Programvara dppower MicroSCADA Teori Formler Effekt Velandermetoden Transformator Spänningsfall Kortslutningseffekt Elnät Matningsprincip Överbelastning transformator Kabel Befintligt nät Transformatorer Fördelningsstationer Nödbelastning Kablar Spänningsfall Resultat Simulering av transformatorhaveri Reservkopplat nät Kopplingar Utförande Beräkningar Effektflödesberäkning Felströmsberäkning Mottagarstation M Fördelningsstation M Fördelningsstation M Analys/diskussion Begränsningar Begränsningar i M Begränsningar i M Konsekvenser Velandermetoden iv

6 6.4 Känslighetsanalys Slutsatser och framtida arbete Förslag på framtida förändringar Begränsningar på linjer Överbelastade linjer Bilagor A. Foto M1 B. Foto M9 C. Foto M2 D. Foto M3 E. M1 värden före och efter omkoppling F. M2 värden före och efter omkoppling G. M3 värden före och efter omkoppling H. Enlinjeschema före omkoppling I. Enlinjeschema efter omkoppling v

7 Nomenklatur M1, M9 Mottagarstation M2, M3, M4, M5, M6 Fördelningsstation Mottagarstation Matande station för ett koncessionsområde Fördelningsstation Station för fördelning och transformering av överliggande nät Grupp En utgående linje och dess grupper från en station Flaskhals Punkt med begränsad distributionskapacitet Stötström Strömmens största momentanvärde Korttidsströmtålighet Kabelns strömtålighet innan för stora termiska påkänningar sker Lindningskopplare Komponent i transformator som reglerar spänning vi

8 1 Inledning Kungälv Energi har i dagsläget ingen plan för reservmatning om ett transformatorhaveri skulle inträffa på en av de två 130/10 kv-transformatorerna i stationen M1. Därför utförs en undersökning om möjlighet till reservmatning finns under hög belastning. 1.1 Kungälv Energi Kungälv Energi är ett kommunalägt företag som har ansvar för el-, fjärrvärme- och fibernäten i Kungälv kommun. Distribution av områdena Kungälv kommun, delar av Stenungssund kommun samt delar av Lilla Edet kommun, se figur 1. Totalt sett har Kungälv Energi ansvaret över följande. 2 mottagningsstationer 130 kv/20/10 kv 5 fördelningsstationer 20/10 kv 39 mil friledning och hängkabel 10/20 kv 24 mil jord- och sjökabel 10/20 kv 38 mil friledning och hängkabel 0,4 kv 84 mil jord- och sjökabel 0,4 kv Figur 1 Karta över Kungälv Energi s koncessionsområde Källa: Svenska Kraftnät 1

9 1.2 Problembeskrivning Kungälv Energi har två mottagarstationer och fem fördelningsstationer. Fördelningsstationerna utgör en del av det slingmatade 20 kv-nätet i Kungälv Kommun och benämns M2, M3, M4, M5 och M6. Mottagarstationerna benämns M1, som innefattar två 130/10 kv-transformatorer på 25 MVA vardera samt en 130/20 kv-transformator på 25 MVA, och M9, som innefattar två 130/20 kv-transformatorer på 40 MVA vardera. Med den ökande belastningen sänks driftsäkerheten då reservmatning blir allt mer komplext. Vid ett haveri av en transformator i M1 finns en osäkerhet om hur reservmatning fungera då flaskhalsar och hög effekt är ett problem. Linjer bestående av kablar och ledningar med olika dimensioneringar, ledarareor och märkströmmar skapar flaskhalsar i nätet som begränsar transmissionskapaciteten. 1.3 Syfte, mål och avgränsningar Målet med arbetet är att undersöka om tillräckligt mycket effekt kan flyttas från M1 s nät, till närliggande fördelningsstationer, vid eventuellt transformatorhaveri på en av de två 130/10 kv-transformatorerna. Därtill ska även omkopplingsmöjligheterna undersökas för att ha en bestämd plan för omkopplingar vid eventuellt haveri. Syftet med detta arbete är att undersöka om möjligheten att upphäva införskaffning av nya transformatorer finns då ledig transmissionskapacitet är tillgänglig i nätet i dagsläget. Beslutet har tagits att inte beröra stationerna M4, M5 och M6 i arbetet då stationerna är geografiskt långt från M1. 0,4- och 20 kv-nätet kommer heller inte beröras. Rapporten behandlar inte kapacitiva jordfelsströmmar, selektivitet och effektförluster. 2

10 2 Metod 2.1 Tillvägagångssätt Vid projektets inledning besöks de berörda mottagarstationerna och fördelningsstationerna för att skapa en uppfattning om stationerna som arbetet riktar sig mot. Intervjuer med vederbörande personal utförs för att få en uppfattning om elnätet och företaget i helhet. Kontinuerlig kontakt med personalen genomförs för att hämta erfarenhetsmässig information. Litteraturstudier utförs och innefattar kurslitteratur och litteratur från skolans bibliotek samt granskningar av tidigare examensarbeten inom liknande områden. Programmet dppower analyseras för att i fortsatta arbetet kunna hämta relevant mätdata och göra omkopplingar. Data från dppower jämförs med data från Kungälv Energi s MicroSCADA-system för fastställning av given information. 2.2 Programvara Under arbetets gång används datorbaserad programvara till mycket stor del. All data som hanteras utläses från något av följande program dppower dppower är ett hanteringsverktyg för eldistribution där kartor och scheman kan visualiseras. Dokumentation, planering, drift, underhåll och service är applikationer som kan behandlas på ett överskådligt sätt. dppower klarar även av att utföra testförändringar i nätet och göra beräkningar utifrån de nya förändringarna. [5] I detta examensarbete används dppower i stor uträckning då omkopplingar har testats för att nå uppsatt mål samt hitta information om belastningar och dimensioneringar på transformatorer och linjer. Dessa data är högst väsentliga för beräkningar och fastställning av resultat. När datainsamlingar utförs i dppower görs till en början mätningar på transformatorer för att få ett värde på hur mycket de är belastade under normal drift. Med hjälp av denna information kan vilka transformatorer som ska användas vid omkopplingarna fastställas. När transformatorerna analyserats behöver samma sak göras för kablar och ledningar. Efter kablarna och ledningarna kontrollerats utförs nätberäkningar på näten där bland annat kabeldata och belastningar är angivna. Dessa data används vid beräkningar för att säkerställa hur mycket kablarna och ledningarna kan belastas innan dessa överbelastas. Programmet används för att, med hjälp av Velandermetoden, utläsa och räkna fram ett medel av förbrukningstoppar. Utifrån detta hjälper även dppower till att ta fram 3

11 lastflödesberäkningar utifrån de nya kopplingarna i nätet. I programmet finns även funktioner för att spåra, räkna och visa status på omkopplade delar av nätet i både enlinjeschema och karta. Eftersom alla beräkningar som dppower utför är approximativa, på grund av Velandermetoden, har endast approximativa värden på belastningar kunna fastställas MicroSCADA MicroSCADA är Kungälv Energi s datasystem för övervakning, styrning och processhantering så som lägesindikationer, statusindikationer samt datainsamling, se figur 2. MicroSCADA har endast möjlighet att lagra mätdata för ett år tillbaka i tiden vilket gör att MicroSCADA kan användas för att bekräfta de mätdata som samlats in i dppower. Vintern 2014 var dock en varm vinter vilket gör att hänsyn måste tas till att effektförbrukningen har varit relativt låg i jämförelse med tidigare kallare år. Figur 2 Principen för hur microscada arbetar 4

12 3 Teori I detta kapitel redogörs några grundläggande principer för elnätets uppbyggnad kopplat till utförda beräkningar i arbetet. 3.1 Formler För att kunna kontrollräkna givna värden från dppower och beräkna värden som inte angivits har vissa metoder använts för att beräkna följande storheter Effekt Vid beräkningar av effekter har två formler använts beroende på vilka faktorer som finns till hands. Pythagoras sats används för att beräkna effekter och vinklar utifrån effekttriangeln, se figur 3.1 och formel 1.1. [6] Figur 3.1 Effekttriangeln S = (P 2 +Q 2 ) (1.1) S är skenbar effekt P är aktiv effekt Q är reaktiv effekt Formel 1.1 har använts främst för att beräkna den skenbara effekten i kablar och ledningar för att bilda en uppfattning om hur mycket ledig kapacitet som finns. Om inga effekter är angivna kan de istället beräknas enligt effektformlerna för att bilda en uppfattning om dess transmissionskapacitet utifrån spänningen i linjen och maximal ström genom kabeln eller ledningen. [6] S = 3 U h I (1.2) P = 3 U h I cosϕ (1.3) Q = 3 U h I sinϕ (1.4) 5

13 3.1.2 Velandermetoden Sammanlagrad effekt är ett approximativt mått på ett områdes totala förbrukning som är lägre än de maximala möjliga effektuttagen då sannolikheten att alla deleffekter uppnår maximal effekt samtidigt är liten. Velandermetoden, som är en sammanlagringsmetod, används för att räkna ut effektförbrukningen hos olika typer av kunder, se formel 2.1. P tot = P 1 + P 2 = k 1 W + k 2 W (2.1) P är den resulterande uttagna effekten W är delbelastningarnas sammanlagda energiuttag i kwh/år k 1 och k 2 är erfarenhetsmässigt erhållna konstanter beroende på typ av belastning Konstanterna är satta ut efter vilken typ av kund det är. Exempelvis har enfamiljshus med direktvärme en konstant medan en industri har en annan, se tabell 3. Kategori k 1 k 2 Tillverkningsindustri 0, ,07 Enfamiljshus direktvärme 0, ,025 Tabell 3 Exempel på velanderkonstanter hos Kungälv Energi Konstanten k 1 kan räknas ut med hjälp av formel 2.2. k 1 = P 1 W (2.2) Med k 1 uträknat kan, med hjälp av Velanders formel, k 2 beräknas enligt formel 2.3. k 2 = P P 1 W (2.3) Figur 3.2 Exempel på typkurva över uttagen effekt där Velandermetoden tar hänsyn till endast den maximala belastningen 6

14 3.1.3 Transformator Belastning transformator Formel 3.1 har använts för att beräkna hur stor effekt transformatorerna är belastade med och därmed bilda en uppfattning om hur mycket transformatorerna kan belastas med ytterligare. S = S n S rel (3.1) S är den verkliga belastningen under drift S n är den skenbara märkeffekten S rel är den relativa belastningen angiven i procent Belastningsgrad När belastningsgraden för en transformator beräknas används faktorerna skenbar märkeffekt och skenbar uteffekt, se formel 3.2. Belastningsgraden är ett mått på förhållandet mellan en transformators uteffekt och märkeffekt. Förhållandet multipliceras med faktorn 100 vilket ger belastningsgraden angiven i procent. x = S 2 S n 100 (3.2) x är belastningsgraden S n är den skenbara märkeffekten S 2 är den skenbara uteffekten Spänningsfall För att beräkna det totala spänningsfallet i en linje används följande formel genom att räkna med spänningarna i matande station och den punkt i linjen som har längst avstånd till överliggande station, se formel 4. [1] u = ΔU U = U 1 U 2 U (4) ΔU =U 1 U 2 u är spänningsfallet uttryckt i procent ΔU är spänningsskillnaden i överliggande station och linjens ände U 1 är systemspänningen i överliggande station U 2 är spänningen i linjens ände 7

15 3.1.5 Kortslutningseffekt Den skenbara kortslutningseffekten är den resulterande effekten av en trefasig kortslutning. Formel 5.1 visar att då kortslutningsströmmen ökar, ökar även den skenbara kortslutningseffekten. Med hjälp av formel 5.1 kan den skenbara kortslutningseffekten beräknas. [1] S k3 = 3 U h I k3 (5.1) S k3 är den trefasiga skenbara kortslutningseffekten I k3 är den trefasiga kortslutningsströmmen Tvåfasig kortslutning Tvåfasig kortslutning är den resulterande kortslutningsström då ett överslag mellan två faser inträffar. Anledningen till att tvåfasig kortslutning, som är mindre än trefasig kortslutning, är intressant är att det är den minsta kortslutningsströmmen som ett överströmsrelä skall mäta upp och bryta för [1]. Därför får skyddet inte vara inställt på högre ström än 75 % av minsta kortslutningsström som normalt uppkommer längst ut på en linje. Med hjälp av formel 5.2 kan den tvåfasiga kortslutningen beräknas. [1] I k 2 = U h 2 Z (5.2) Z = (R 2 + X 2 ) Z är impedansen i en utrustning R är resistansen i en utrustning X är reaktansen i en utrustning, kan vara både induktiv eller kapacitiv Trefasig kortslutning (5.3) Trefasig kortslutning är den kortslutning som resulterar i högsta kortslutningsström då ett överslag mellan alla tre faser sker. Den totala kortslutningsströmmen är beroende av två huvudfaktorer, huvudspänning och impedansen i ledningen. Det är också detta som ligger till grund för anläggningsdimensionering då det är den trefasiga kortslutningen som ger störst mekaniska och termiska påkänningar. [3] Vid area mm 2 är det stötströmmen, som ger upphov till de mekaniska påkänningarna, som är dimensionerande. Vid area mindre än 50mm 2 är det korttidsströmtåligheten, som ger upphov till de termiska påkänningarna, som är dimensionerade. [1] Med hjälp av formel 5.4 kan den totala trefasiga kortslutningen beräknas. [1] I k3 = U h Z (5.4) 8

16 3.2 Elnät Här redogörs delar av elnätuppbyggnaden i spänningsintervallet kv Matningsprincip Vanligast förekommande matningsprinciper i mellanspänningsnätet är radiellt matande och slingmatande. Dessa två matningsprinciper används också i Kungälv kommun där stadsnät och 20kV-nätet är slingmatade och landsbygd är radiellt matat. Figur 3.3 Exempel på elnät med både radiellt och slingmatat utförande De svarta kryssen symboliserar brytare som är slutna och det rödmarkerade krysset symboliserar en öppen brytare då matning inte kan ske från två håll samtidigt, se figur Radiellt matat nät Att ett nät är radiellt innebär att alla stationer som finns i nätet har möjlighet till matning från endast ett håll, se figur 3.3. Denna matningsprincip används oftast på landsbygden och miljöer där det inte är kostnadseffektivt med slingmatning eller där reparationer kan utföras på ett enkelt sätt. [3] 9

17 Slingmatat nät Att ett nät är slingmatat innebär att alla stationer som finns i nätet har möjlighet till matning från två håll, se figur 3.3. Matningsprincipen tillämpas ofta i stadsnät när driftsäkerheten prioriteras högre för att minska avbrottstiderna för kunderna. [3] Mottagarstation Mottagarstation kallas en regionnätstation varifrån spänningen matas in till mellanspänningsnäten. Mottagarstationerna är regionnätsstationer som förser de lokala näten med elenergi. [3] Fördelningsstation Fördelningsstation är namnet på en station där transformeringen och fördelningen av mellanspänningen sker. Fördelningsstationerna ingår i mellanspänningsnätet och matar alla nätstationer där den sista transformeringen i nätet sker. [3] Överbelastning transformator När en transformator belastas uppstår värmeutveckling i dess lindningar. Transformatorer är försedda med kylflänsar och i vissa fall fläktar för förbättrad kylning. Vid överbelastning där kylutrustningen är otillräcklig resulterar i att lindningstemperaturen blir för hög. Eftersom lindningarna kyls av olja tar det ett tag innan hela transformatorn blir tillräckligt varm för att någon skada ska ske, därför kan transformatorer ofta överbelastas mycket en kortare tid. Om en transformator däremot är överbelastad för länge uppstår så kallade hot spots i lindningarna där kylningen är begränsad. I dessa hot spots blir lindningarnas isolering försämrade vid långvarig överbelastning vilket kan leda till överslag. [3] Vid värmeutveckling uppstår även kondens i transformatorn vilket leder till försämrad oljekvalité som kan resultera i att packningars egenskaper samt isolationsegenskaper försämras vilket leder till att transformatorns livslängd förkortas Kabel Stora delar av nätet är kablifierat i mark, i synnerhet i tätorter där driftsäkerheten prioriteras. Nedgrävda kablar är, till skillnad från luftledningar och kablar på stolpar, väl skyddade mot yttre påfrestningar som vädret kan bidra med. Nackdelar med nedgrävda kablar är att de kan vara svåra att lokalisera vilket leder till att de ibland grävs av samt reparationskostnaderna blir avsevärt högre på nedgrävda kablar gentemot luftledningar. Kablar är också känsligare för överbelastning då värmeutveckling i ledarna förkortar isoleringens livslängd. Kabeln kan dock köras med en viss överlast vid nödbelastning men hänsyn till uppvärmning måste fortfarande tas. [3] 10

18 4 Befintligt nät I detta kapitel presenteras hur nätet ser ut under normal drift samt vilka förutsättningar som finns för reservdrift. Under vintertid när belastningen är som högst börjar 130/10 kv-transformatorerna i M1 närma sig belastningsgränserna för vad som är möjligt vid ett transformatorhaveri under hög belastning. Vid normaldrift har M1-T1 en belastning på ca 77 % och M1- T3 har en belastning på ca 74 %. För att transformatorerna inte skall ta skada är belastningsgränserna satta till 120 % av märkeffekt då det är riktvärden från Kungälv Energi som är värden angivna från tillverkarna. I bilaga H presenteras en översikt över M1 s nät i dagsläget. De linjer som är markerade ljusblått tillhör M1 s nät och de svartmarkerade tillhör M2 och M Transformatorer Kungälv Energi kommer i år installera nya transformatorer i stationerna M2 och M4. De nya transformatorerna kommer inneha högre kapacitet än de befintliga. Under arbetets gång har de nya värdena på transformatorerna använts vid beräkningar för att ta hänsyn till framtida behov. I tabell 4.1 presenteras märkdata för de transformatorer som arbetet berör. Station Transformator U n Upp/Nedsida kv S n kva Koppling Upp/nedsida M1 T1 135/11, YN/yn T3 145/11, YN/yn M2 T1 22,5/11, YN/yn M3 T1 24/ YN/yn Tabell 4.1 Märkdata på de berörda transformatorerna 11

19 4.2 Fördelningsstationer Station M4 har valts att inte beröras då dess nät inte har direkt förbindelse med M1 s nät. M4 är lågt belastad med sina 49 % på den nya transformatorn vilket hade varit ett bra alternativ om stationen hade bättre förbindelser med M1. Station M5 s nät har goda förbindelser med M1 s nät men dess transformator är belastad med 118,8 % av märkeffekt vilket gör den olämplig att mata ytterligare nät. Station M6 är belastad med 109,2 % av märkeffekt och även den har goda förbindningsmöjligheter med M1 s nät. Dock gör dess höga belastning den olämplig för reservmatning. Stationerna M4, M5 och M6 matas alla från transformator T2 i mottagarstationen M9. M9-T2 är belastad med 103,5 % av märkeffekt vilket innebär att ytterligare belastning på någon av dess underliggande stationer leder till mer överlast vilket kortar transformatorns livslängd snabbare än önskat. 4.3 Nödbelastning Kablar Vid nödbelastningar har Kungälv Energi vissa värden på belastningar som anses vara acceptabla. Belastningsfaktorerna används för att beräkna de maximala belastningsvärdena på kablar och ledningar och är ett förhållande mellan den maximala lasten och märkeffekt. Faktorerna gäller vid temperaturer upp till 0 C. Vid temperaturer högre än 0 C minskar belastningsfaktorerna. I tabell 4.2 presenteras de belastningsfaktorer som använts. Typ Egenskap Belastningsfaktor Kabel kv Pappersisolerad 1,26 Kabel kv PEX-isolerad 1,20 Friledning Koppar och Aluminium 1,40 Tabell 4.2 Tabell över belastningsfaktorerna på olika utföranden av kablar och ledning 4.4 Spänningsfall Tumregel för spänningsvariationer är -7 % eller +3 % av systemspänningen. Variationer större än dessa anses vara oacceptabla under normala driftförhållanden. Eftersträvan har varit att spänningsvariationer under reservmatning inte bör överskrida +6 och -10 % av systemspänningen då spänning mindre än -10 % kan orsaka störningar hos kunder och spänning högre än +6 % kan orsaka att utrustning hos kunderna tar skada. Ett vanligt tillvägagångssätt för att reglera spänningsnivåerna är att använda en lindningskopplare som styrs per automatik när spänningen avviker. 12

20 5 Resultat Arbetet har resulterat i en plan för hur nätet ska omkopplas och presenteras i en lista med alla brytare och linjer som berörs vid omkopplingarna. Underlag för effektflödesberäkningar, felströmsberäkningar och reläskyddsinställningar presenteras även här. 13

21 5.1 Simulering av transformatorhaveri För att visualisera ett transformatorhaveri används två förenklade enlinjescheman över mottagarstation M1 som visar märkeffekter, märkspänningar och aktuella belastningsgrader på transformatorerna T1 och T3. Brytarstadium visualiseras med färg där rödmarkerat är öppet och svartmarkerad är slutet. Vid normal drift används T1 och T3 för separata distributionsområden. T1 har då en belastningsgrad på 77 % och T3 en belastningsgrad på 74 %. Möjlighet för sammankoppling av skenorna på nedsidan finns då dessa separeras med hjälp av en brytare, se figur 5.1. Figur 5.1 Enlinjeschema mottagarstation M1 normal drift Vid ett eventuellt haveri av T3 bryts T3 och skenan på nedsidan sammankopplas vilket medför att all belastning flyttas över till T1, se figur 5.2. T1 får nu en belastningsgrad på ca 151 %. Figur 5.2 Enlinjeschema mottagarstation M1 reservdrift 14

22 5.2 Reservkopplat nät I bilaga I visas hur det berörda nätet är kopplat efter omkoppling vid simulerat haveri av M1-T3. Från M1 s ursprungliga nät har belastningsmässigt stora delar förts över på transformatorerna i stationerna M2 och M3. Totalt sett har sex grupper i stationen M1 fått minskad belastning varav två av grupperna kan matas fullständigt från M2 samt en grupp från M3. Detta har resulterat i en belastningsminskning på 34,2 % som försvinner från M Kopplingar I tabell 5.1 beskrivs alla kopplingar som utförts. Tabellen innefattar de brytare som fått förändrade brytarstadium och presenteras i en lista där vilken linje brytaren är placerad på, id på brytare, typ av brytare, normala kopplingsläget och reservkopplat läge samt vilken station som tar över lasten från M1 s distributionsområde. Linje Id Brytare Typ Normalt kopplingsläge Reservkopplingsläge Nät till L303 K379-EF Lastfrånskiljare Från Till M3 L303 EF143 Lastfrånskiljare Till Från M3 L303 L106-EF Lastfrånskiljare Från Till M3 L303 K64-EF Lastfrånskiljare Till Från M3 L303 K728-EF Lastfrånskiljare Från Till M3 K11 K11-B-S Truckbrytare Till Från M3 L206 K227-EF Lastfrånskiljare Från Till M2 L206 K865-EF Lastfrånskiljare Till Från M2 K105 K211-EF Lastfrånskiljare Från Till M2 K105 K217-EF Lastfrånskiljare Till Från M2 L205 K99-F Frånskiljare Från Till M2 L205 L205-EF Lastfrånskiljare Från Till M2 L205 K119-EF Lastfrånskiljare Till Från M2 L205 K116-EF Lastfrånskiljare Till Från M2 Tabell 5.1 Tabell över alla brytare vars kopplingsläge ändrats under arbetet Utförande Eftersom effekten ska tas från M1 s nät har hänsyn tagits till tillgängligheten hos de närliggande fördelningsstationerna. I detta fall är M2 och M3 mest tillgängliga sett till geografiskt avstånd samt relativa belastningar sett till märkeffekt. 15

23 5.3 Beräkningar Effektflödesberäkning När omkopplingarna utförts ändrades värden, se bilagor E, F, och G, då linjerna fått ändrade längder och belastningar. Station M1 fick lägre belastningar på dess berörda linjer och övriga stationer fick högre belastningar på dess berörda linjer. Som följd av att linjerna blir längre blir även spänningsfallen högre. Det högsta spänningsfallet är uppmätt till 7,8 % vilket ger viss marginal till vad som är godkänt vid reservmatning Felströmsberäkning Omkopplingen ger som följd en förändring av kortslutningsströmmarna där Ik3 har fått ett förhöjt värde medan Ik2 har fått en minskad kortslutningsström. Med hänsyn till detta har skydden för varje förändrad linje kontrollerats så att överströmsskyddens kortslutningssteg inte överskrider 75 % av Ik2 för att säkerställa att marginal finns så skydden löser ut. U1 är spänningen i punkten där Ik3 är uppmätt, se tabeller 5.3, 5.5 och

24 5.3.3 Mottagarstation M Effektflödesberäkning Station M1 har endast fått lägre belastning då eftersträvan har varit att koppla bort så mycket last som möjligt. Linjerna K11, K116 och K119 har kopplats bort helt från M1 och därför försvinner ca 4,2 MVA, ca 16,7 %, av den totala belastningen. I linjerna K122, K125 och K704 har delar av linjerna kopplats bort vilket medför att ytterligare ca 4,4 MVA, ca 17,5 %, kan räknas bort från M1. Med dessa bort- och omkopplingar har M1 fått en minskad belastning med ca 8,6 MVA. Eftersom M1 nu endast använder en 130/10 kv-transformator på 25 MVA har, efter kopplingarna, den totala belastningen minskat med 34,2 % och ligger nu på 116,3 % av märkeffekt. Med en överlast på 16,3 % kommer M1-T1 klara av att driva detta under den tid som skulle krävas för att genomföra en upphandling och installation av en ny transformator. M1-T1 som är utrustad med fläktar klarar av en överlast på ca 30 % under en kortare tid och ca 20 % under en längre tid. Hade istället M1-T3, som inte har några fläktar, havererat så hade den klarat av en överlast på ca 20 %. Med de nya omkopplingarna som presenteras i tabell 5.1 har följande värden förändrats från det normala kopplingsläget, se tabell 5.2. I tabellen presenteras vilka linjer som har förändrats, systemspänningen, högsta förekommande spänningsfallet samt den skenbara-, aktiva- och reaktiva effekten. M1 Efter Spänning V Sp.fall % S tot kva P tot kw K ,0 0,0 0,0 0,0 K ,0 0,0 0,0 0,0 K ,0 0,0 0,0 0,0 Q tot kvar K , K , K , Tabell 5.2 Tabell med effektflöde och maximalt spänningsfall i station M1 K11, K116 och K119 saknar värden på grund av att linjerna inte längre matas från M1. 17

25 Felströmsberäkning Anledningen till att kortslutningsströmmarna är lika med 0 på linje K11 är att den inte är spänningssatt från M1 utan matas bakvägen från M3. K116 och K119 som inte längre innehar belastning från M1 är dock fortfarande spänningssatta från M1 vilket resulterar i kortslutningsvärdena, se tabell 5.3. I tabellen presenteras vilka linjer som har förändrats, spänningen i den punkt där Sk3 och Ik3 är som högst, Ik2 är som lägst samt det inställda korslutningssteget, se kap U1 V Sk3 MVA Ik3 max ka Ik2 min ka I>> A K11 0,0 0,0 0,0 0, K ,4 7,9 6, K ,9 5,8 5, K ,8 7,7 5, K ,8 7,8 1,1 750 K ,3 7,2 2, Tabell 5.3 Tabell med kortslutningsströmmar och -effekter, inställd kortslutningssteg för de berörda grupperna i station M1 18

26 5.3.4 Fördelningsstation M Effektflödesberäkning Linjerna K105, L205 och L206 har blivit mer belastade då det är just dessa linjer som har förbindelse med M1s nät. Linje L205 från station M2 möter linjerna K116 och K119 från station M1 där den tar över båda gruppernas belastningar fullständigt. Vid denna koppling belastas M2 med ytterligare ca 4,2 MVA, ca 26,3 %. Delar av linje K122, från M1, ansluts till linje L206 och K105, från M2, som motsvarar ca 1,9 MVA, ca 11,9 %, av M2 s transformators märkeffekt. M2 s transformator är belastad med 95,6 % av märkeffekt efter omkoppling. Transformatorn i stationen är ursprungligen belastad med ca 57,4% av märkeffekt vilket motsvarar ca 9,2 MVA av 16 MVA. M2 Efter Spänning V Sp.fall % S tot kva P tot kw Q tot kvar K ,2 4827,9 4433,4 1911,5 L ,8 4703,9 4220,0 2078,0 L ,3 2721,3 2640,6 657,9 Tabell 5.4 Tabell med effektflöde och maximalt spänningsfall i station M Felströmsberäkning I tabell 5.5 presenteras kortslutningsströmmarna i linjerna efter omkoppling. Då linjernas kortslutningsvärden ändrats kan detta påverka nätet på så sätt att skydden inte löser enligt de krav som ställs på dem. Vid reservmatning blir Ik2 min i linjerna L205 och L206 för låga för att dess skydd ska inneha den marginal på 75 %, som ställs på dem. För att skyddens krav ska uppfyllas behöver de därför ställas om till lägre värden vid reservmatning, se kap U1 V Sk3 MVA Ik3 max ka Ik2 min ka I>> A K ,1 6,0 3, Förslag I>> A L ,6 6,3 1, L ,4 6,3 2, Tabell 5.5 Tabell med kortslutningsströmmar och -effekter, inställd kortslutningssteg och förslag på nya kortslutningssteg för de berörda grupperna i station M1 19

27 5.3.5 Fördelningsstation M Effektflödesberäkning Med station M3 har eftersträvan, precis som M2, varit att lägga över så mycket effekt som möjligt från M1 s. Även här finns kapacitet och utrymme att lägga en del effekt. M3, som i sin tur drivs av M120, 20kV-transformatorn i M1, utgör en bra reserv på grund av sin geografiska placering och stora kapacitet. M3 har endast en linje påverkats som är L303. L303 tar över effekt från M1 s nät på två ställen. Ena stället är sydöstra delen av Kungälvs tätort där L303 möter K704 och tar över ca 1,1 MVA vilket är ca 4,2 % av M1 s nät. L303 tar även över ca 2,1 MVA från K125. M3 Efter Spänning V Sp.fall % S tot kva P tot kw Q tot kvar L ,5 4046,6 3606,6 1831,1 Tabell 5.6 Tabell med effektflöde och maximalt spänningsfall i station M Felströmsberäkning Kortslutningssteget är inställt på ett värde som är nära 75 %, Kungälv Energi s säkerhetsmarginal för brytning, av Ik2 min i L303, se kap Detta bör has i åtanke vid reservmatning. U1 V Sk3 MVA Ik3 max ka Ik2 min ka I>> A L ,5 7,5 1,2 860 Tabell 5.7 Tabell med kortslutningsströmmar och -effekter, inställd kortslutningssteg för de berörda grupperna i station M1 20

28 6 Analys/diskussion Då reservmatning är möjlig från andra stationer i nätet kan ett transformatorhaveri inträffa på en av de två 130/10 kv-transformatorerna utan att kunder förblir spänningslösa längre tid än det tar att utföra de 14 omkopplingarna. 6.1 Begränsningar Det finns olika anledningar till att fler omkopplingar inte utförts. Många kablar och ledningar är inte tillräckligt dimensionerade för att klara av den extra belastning som hade varit önskvärd att leda om Begränsningar i M2 Station M2 har tagit över 6,1MVA vilket är näst intill så mycket som är möjligt sett till de begränsningar som finns hos M2. Från M1 har grupperna K116 och K119 kunnat matas helt och hållet från stationen M2. Därtill har även grupperna K118 och K122 fått lägre belastningar då M2 tar en del av dess belastningar. Efter de nämnda omkopplingarna togs beslutet att inte överföra mer till M2 s nät då dess transformator har en belastning på 96,9 % av märkeffekt Begränsningar i M3 Station M3 har fått ökad belastning med 3,2MVA. Från M1 kan gruppen K11 matas helt och hållet från M3 samt gruppen K704 har fått lägre belastning. Det som begränsar transmissionskapaciteten hos M3 är ledningen L303. Ledningen är en 99 mm 2 friledning av aluminium vilket begränsar kapaciteten mer än önskvärt. Efter omkoppling är L303 belastad med ca 104 % av märkström vilket innebär att den ligger högt och bör inte belastas mer. 6.2 Konsekvenser När nätet omkopplas vid transformatorhaveri kommer belastningarna öka i samtliga berörda grupper i stationerna M2 och M3, samtidigt som de minskar i stationen M1. Då belastningarna ökar, ökar även värmeutvecklingen i all utrustning vilket innebär kortare livslängd. Vid de omkopplingar om utförts är endast L303 överbelastad men fortfarande inom de gränser som anses godtagliga enligt Kungälv Energi vid reservmatning. 21

29 6.3 Velandermetoden I arbetet har Velandermetoden använts vid beräkningar i dppower. Då Velandermetoden tar hänsyn till endast maximala belastningar hos kunder fås resultaten med en viss marginal, se figur 3.2. Detta är dock till fördel i detta arbete då de högsta effekterna behöver tas hänsyn till för att få fram ett resultat och en metod då belastningarna i nätet är som högst. Då de högsta belastningarna inträffar på vintern då den naturliga kylningen av all utrustning utomhus är avsevärt bättre än på sommaren, då belastningarna är lägre, är detta högst fördelaktigt. 22

30 6.4 Känslighetsanalys En del värden i dppower har ändrats under arbetets gång vilket har gjort det rätt så svårt att få värden att förhålla oss till. Värdena avviker generellt inte alltför mycket vilket gör det möjligt att bilda en uppfattning om omkopplingarna fungerar i praktiken. Eftersom det varit relativt varma år det senaste ger programmet ett något missvisande värde. Detta har på sätt och vis tagit hänsyn till då marginal till 100 % märkeffekt finns på samtliga berörda komponenter i nätet, med undantag för transformatorerna T1 och T3 i station M1 samt L303. Kungälv Energi förser även Göteborgs Kexfabrik med elenergi via transformatorn T2 i stationen M1. I dagsläget har fabriken en belastning på ca 3,5 MVA men kommer i framtiden bygga ut sin verksamhet och därmed öka sitt effektbehov med ca 2 MVA. Detta innebär att M1-T2 kommer få en ökad belastning med ca 8 % och ställer till en del i resultaten som fås efter omkopplingarna då transformatorn i M1 får en ökad belastning från 116,3 % till 124,3 %. Transformatorn bör klara av att driva den ytterligare lasten men det är ingenting som tas hänsyn till i arbetet. I station M120 finns två 20 kv-skenor som är sammankopplade via en brytare. Till ena skenan är endast en linje ansluten, en ledning som skapar förbindelse mellan M120 och M9 och är i M9 ansluten till transformator T1 som innehar den lägsta belastningen i stationen. Den andra skenan har flera utgående linjer anslutna, inklusive ordinarie matning till M3. Eftersom M120 matar M3 matar på så vis även M120 M1 s 10kV-nät. Dessutom var den ursprungliga frågeställningen i arbetet var hur mycket effekt som går att överföra från mottagarstation M9 till M1 s 10 kv-nät. Om det är möjligt att ansluta den utgående linjen till M3 i M120 s ställverk möjliggör detta att all belastning som tas från M1 s nät istället hamnar på M9. Det som sätter stopp för detta i dagsläget är att den fysiska linjen är ansluten på fel skena i M120 s ställverk, se figur 6. Figur 6 två separerade skenor M120 23

31 7 Slutsatser och framtida arbete Efter att ha gjort en hel del omkopplingar och analyserat stora delar av nätet har de satta målen uppfyllts då en plan för hur nätet kan kopplas om för att tillgodose effektbehovet och minska antalet spänningslösa kunder samt överbelastningar i transformatorer, kablar och ledningar. Reservmatning till M1 s nät är möjligt om ett transformatorhaveri skulle inträffa på en av de två 10 kv-transformatorerna. En hållbar plan för hur nätet ska omkopplas har fastställts. När det praktiska arbetet blev slutfört kan det konstateras att de mål som sattes i början av arbetet har uppfyllts. Nätet klarar de extra påfrestningar som uppstår vid omkopplingarna som presenterats tidigare. 7.1 Förslag på framtida förändringar Under arbetets gång har näst intill hela elnätet analyserats, även delar som inte berörts i arbetet, för att hitta lämpliga vägar att omkoppla samt för att få en bättre inblick i nätet. När detta utfördes upptäcktes en del kablar och ledningar som redan är överbelastade, vissa mer än 150 %. För att undvika onödigt åldrande bör detta ses över i framtiden. Alternativen är att antingen förlägga en kabel parallellt med den överbelastade kabeln eller byta ut den helt och hållet mot en kabel med högre ledningsarea. Om det är en luftledning som står i fokus kan ett alternativ vara att gräva ner en kabel med högre ledningsarea då sträckan samtidigt blir vädersäkrad. Som tidigare nämnt behöver även alla skydd ses över och eventuellt ställas om vid omdimensionering. Om det skulle bli aktuellt att dimensionera upp vissa sträckor i nätet behöver även skyddens inställningar ses över. Eftersom vissa flaskhalsar finns kan det vara aktuellt att dimensionera om för att kunna överföra mer effekt, i synnerhet vid reservmatning men även för eventuella utbyggnader i nätet i framtiden. För att alla skydd ska uppfylla de krav som ställs på dem behöver skyddens inställningar ändras eller, om skyddens egenskaper inte räcker till kan det bli aktuellt att, byta ut skydden eller eventuellt komplettera med extra skydd Begränsningar på linjer M2 L205 med luftledningen FEAL 99 har vid reservmatning fått ökad belastning på ca 80 % men vid ökad dimensionering hade L205 kunnat ta över delar av K M3 L303 är en ledning av typen ALL99 och har fått ökad belastning med ca 82 % vid reservmatning. Om ledningen dimensioneras upp kan mer last föras över till M3 s nät för att uppnå lägre belastning på transformatorn i M1. 24

32 7.2 Överbelastade linjer I dagsläget finns en del linjer som är överbelastade utan att någon omkoppling utförts. Eftersom en avgränsning är att inte beröra 20 kv-nätet presenteras endast de överbelastade linjerna i 10 kv-nätet. I tabell 7 presenteras de linjer och sträckor samt dess belastningar som inte berörts under arbetets gång. Linje Typ Relativ belastning % Från punkt Till punkt L604 ALL , L604 ALL , Tabell 7 Ledningssträckor som är överbelastade som inte berörts under arbetets gång 25

33 Källförteckning [1] Hans Blomqvist, Elkrafthandboken: Elkraftsystem 2, Upplaga 3, Stockholm: Liber; 2012 [2] Mätning i nätstationer Nyttor och problem, Annelie Lindeberg, CTH institutionen för Energi och miljö, Göteborg; 2009 [3] Gunnar Elfving, ABB Handbok Elkraft, Upplaga 2, Västerås: ABB Distribution AB; 1989 [4] Hans Blomqvist, Elkrafthandboken: Elkraftsystem 1, Upplaga 2, Stockholm: Liber; 2012 [5] Anders Nerman, dppower, Digpro, [Online] Tillgänglig: [Hämtad: 9 april, 2015] [6] Bertil Stenborg, Nationalencyklopedin, växelströmseffekt, [Online], Tillgänglig: B6mseffekt [Hämtad: 25 maj, 2015] 26

34 A. Foto mottagarstation M1 Bilaga A:1

35 B. Foto mottagarstation M9 Bilaga B:1

36 C. Foto fördelningsstation M2 Bilaga C:1

37 D. Foto fördelningsstation M3 Bilaga D:1

38 E. M1 värden före och efter omkoppling M1 Före Sp. fall % P tot kw Q tot kvar P tot förl. kw I B A Ik2 min ka Ik3 max ka K11 0, ,6 7,5 5,9 K13 0, ,5 6,8 3,9 K50 0, ,2 6,5 7,8 1,6 K57 0, ,5 7,8 6,3 K80 0, ,9 7,3 5,6 K84 0, ,5 7,7 8,4 K85 3, ,1 7,9 0,6 K86 0, ,0 7,4 8,2 0,0 K96 0, ,5 7,2 1,9 K114 0, ,0 7,2 5,9 K115 1, ,2 8,4 9,7 K116 0, ,8 8,2 5,0 K117 0, ,9 7,3 4,4 K118 0, ,0 7,4 5,3 K119 1, ,2 5,9 15,9 K120 1, ,2 7,7 8,0 K122 1, ,5 6,5 19,5 K123 0, ,7 6,5 5,9 K125 7, ,1 7,8 50,5 K704 2, ,3 7,2 13,3 K706 0, ,4 7,8 2,6 Ic A Bilaga E:1

39 M1 Efter Sp. fall % P tot kw Q tot kvar P tot förl. kw I B A Ik2 min ka Ik3 max ka K11 0, ,0 K13 0, ,5 6,8 3,9 K50 0, ,2 6,5 7,8 1,6 K57 0, ,4 7,5 6,3 K80 0, ,9 7,3 5,6 K84 0, ,5 7,4 8,5 K85 0, ,9 7,9 0,6 K86 0, ,1???? 0 K96 0, ,3 7,8 1,9 K114 0, ,9 6,9 6,0 K115 1, ,2 8,0 9,8 K116 0, ,8 7,9 0,6 K117 0, ,7 7,1 4,5 K118 0, ,0 7,4 5,3 K119 0, ,0 5,8 7,6 K120 1, ,2 7,6 8,0 K122 0, ,5 6,5 10,3 K123 0, ,6 6,3 5,9 K125 5, ,1 7,8 29,9 K704 2, ,3 6,7 9,7 K706 0, ,2 7,5 2,6 Ic A Bilaga E:2

40 F. M2 värden före och efter omkoppling M2 Före Sp. fall % P tot kw Q tot kvar P tot förl. kw I B A Ik2 min ka Ik3 max ka K105 1, ,5 6,0 9,5 L201 3, ,1 5,8 5,7 L204 1, ,7 6,3 5,9 L205 0, ,2 6,3 2,2 L206 0, ,3 6,2 3,9 Ic A M2 Efter Sp. fall % P tot kw Q tot kvar P tot förl. kw I B A Ik2 min ka Ik3 max ka K105 2, ,0 6,0 13,8 L201 3, ,2 5,8 5,8 L204 1, ,8 6,3 6,8 L205 7, ,6 6,3 15,3 L206 1, ,1 6,3 9,0 Ic A Bilaga F:1

41 G. M3 värden före och efter omkoppling M3 Före Sp. fall % P tot kw Q tot kvar P tot förl. kw I B A Ik2 min ka Ik3 max ka K306 0, ,6 7,4 5,6 K518 0, ,2 7,2 2,7 L301 6, ,6 6,9 37,1 L302 0, ,5 7,4 1,6 L303 0, ,7 7,5 15,3 L304 2, ,8 6,1 26,7 Ic A M3 Efter Sp. fall % P tot kw Q tot kvar P tot förl. kw I B A Ik2 min ka Ik3 max ka K306 0, ,6 7,4 5,7 K518 0, ,2 7,4 2,7 L301 6, ,7 6,9 37,6 L302 0, ,5 7,4 1,7 L303 6, ,2 7,5 48,0 L304 2, ,8 6,5 26,9 Ic A Bilaga G:1

42 H. M1 Enlinjeschema före omkoppling Översiktsblid över hur M1 s nät ser ut innan omkoppling Ljusblått tillhör M1 s nät och det svarta tillhör M2 och M3 Bilaga H:1

43 I. Enlinjeschema efter omkoppling Bild som visar hur stora delar av nätet som är bortkopplat Ljusblått tillhör M1 s nät och det svarta tillhör M2 och M3 Bilaga I:1